【正文】 300350510冷卻水用量(m3/h)1215202526283338434855主電源動力電源容量(KVA)6308001000120014001600180020002200240027004080電解槽直流電耗≤堿液濃度25%NaOH或30％KOH自控氣源壓力－氣源耗量5m3/h主電源動力電電壓6KV或10KV(50Hz)AC380V(50Hz)變壓器在整流柜內(nèi)整流柜電源1KW 380V 三相四線 50Hz控制柜電源10KVA 380V 三相四線 50Hz6 kVA 、AC380V 三相四線 50Hz冷卻水溫度≤32℃冷卻水壓力－冷卻水水質(zhì)≤6德國度環(huán)境溫度0－45℃水電解制氫裝置講義第三節(jié) 水電解制氫裝置1. 水電解制氫裝置的組成本裝置由電解槽、氣液處理器、整流裝置、控制柜（計算機(jī)管理系統(tǒng)）、加水泵、堿箱、水箱等幾大部分組成。第二節(jié) 水電解制氫裝置的用途與技術(shù)參數(shù) 1. 設(shè)備的用途水電解制氫除用于宇航、核潛艇和水下試驗室等軍事設(shè)備外，還廣泛用于化工、冶金、電子、電力、航天、建材、氣象等工業(yè)部門。所以純水幾乎是不導(dǎo)電的。F/e＝2＝（安第二章 水電解制氫第一節(jié) 水電解制氫裝置的工作原理 1. 電解定律任何物質(zhì)在電解過程中，在數(shù)量上的變化都服從法拉第定律： 電解時，在電極上析出的物質(zhì)的數(shù)量，與通過溶液的電流強(qiáng)度和通電時間成正比，也就是說與通過溶液的電量成正比，即 G＝KeIt式中：G——化學(xué)反應(yīng)生成物的量 I——電流 t——通電時間 Ke——電化當(dāng)量 ，各種溶液在兩極上析出的物質(zhì)量與它的電化當(dāng)量成正比，而析出1克當(dāng)量的任何物質(zhì)都需要96500庫倫（C）的電量，以法拉第（F）表示。人們已認(rèn)識到，盡管能從煤、石油和天燃?xì)獾仍现兄迫錃?，但這些原料正逐年減少以至枯竭，人們不得不尋找新型的能源。在建筑材料和輕工業(yè)中，如玻璃和人造寶石的制造和加工，氫氣被廣泛地用作燃燒氣和保護(hù)氣；在電力工業(yè)中，氫氣可作為汽輪發(fā)電機(jī)的冷卻劑。在冶金工業(yè)中，氫氣的使用頗為廣泛。氫氣的燃燒過程由于密閉、引燃的狀況和氣體組合等條件的不同，可以成為爆炸和爆轟兩種燃燒反應(yīng)中的任何一種。在空氣中的爆炸極限：％，下限4％；在純氧中的爆炸極限：上限94％，下限4％。氫是最輕的氣體。每個吸附器內(nèi)裝填有吸附材料，其中一臺吸附器通過原料氣時，原料氣中的雜質(zhì)組分被吸附劑吸附而獲得高純度的氫氣；同時其它吸附器處于吸附床再生的不同階段?，F(xiàn)將其原理及主要技術(shù)指標(biāo)簡介如下： 主要技術(shù)指標(biāo)產(chǎn)品氣流量 50～1500m3/h壓力 ≥溫度 ≤40℃純度 ≥%(vol)CO ≤5ppm 主要消耗指標(biāo)甲醇 ～脫鹽水 ～電 ≤煤 ≤冷卻水 ≤20kg/m3H2儀表空氣 ≤10m3/h 原理甲醇分解制氫裝置包括甲醇分解轉(zhuǎn)化和變壓吸附兩個過程：流程框圖見（附件1）。我所在此方面已研制多年。基本過程是：烴類的蒸汽轉(zhuǎn)化——包括天然氣、輕油等的蒸汽轉(zhuǎn)化；部分氧化法——原油、重油等液體的部分氧化；煤的轉(zhuǎn)化。這種制氫方法，目前仍處于實驗室研究階段。伴隨著國家大力發(fā)展水電事業(yè)及水電解制氫工藝和設(shè)備的改進(jìn)，如新型隔膜、新型電極的不斷推出，將會大大提高單位體積的產(chǎn)氣量，從而大大提高它的適用范圍。氫氣作為能源，在來源、使用和儲運等方面具有較大的優(yōu)勢和較強(qiáng)的適應(yīng)性。同時，我們還為用戶提供周到的售后服務(wù)，指導(dǎo)安裝調(diào)試，代培運行操作人員。槽體密封性能好，在反復(fù)開停機(jī)的條件下確保槽體不漏?！?00m3/h的不同型號和不同規(guī)格的水電解制氫裝置，我所均已設(shè)計生產(chǎn)。固體聚合物水電解制氫裝置具有效率高、能耗低、安全可靠、體積小、重量輕的優(yōu)點，具有廣闊的應(yīng)用前景。而當(dāng)前水電解制氫技術(shù)普遍存在的問題是能耗大、效率低、成本高。水電解制氫裝置講義中國船舶重工集 團(tuán) 公 司 第七一八研究所4水電解制氫裝置講義目 錄前 言 1通用部分第一章 氫 氣 1第一節(jié) 氫氣的制備 1第二節(jié) 氫氣的性質(zhì)和用途 6第二章 水電解制氫 8第一節(jié) 水電解制氫裝置的工作原理 8第二節(jié) 水電解制氫裝置的用途與技術(shù)參數(shù) 9第三節(jié) 水電解制氫裝置 121. 水電解制氫裝置的組成 122. 工藝流程簡介 123. 電解槽 154. 處理器（框架I） 20第四節(jié) 其它設(shè)備 301. 控制柜 302. 整流裝置 303. 計算機(jī)系統(tǒng) 304. 框架Ⅱ 305. 框架Ⅲ 316. 柱塞泵 317. 堿箱、水箱 338. 阻火器 33第三章 安 裝 351. 制氫站 352. 工藝部分 363. 自控部分 404. 整流部分 42第四章 設(shè)備維護(hù)、安全事項與故障的排除 43第五章 配制電解液 50第一節(jié) 物料及器材 50第二節(jié) 堿液配制方法 51專用部分第六章 微機(jī)控制系統(tǒng)的操作規(guī)程 57第一節(jié) 開機(jī)前的準(zhǔn)備 57第二節(jié) 開機(jī)順序 76第七章 氣動儀表控制系統(tǒng)的操作規(guī)程 80第一節(jié) 開機(jī)前的準(zhǔn)備 80第二節(jié) 開機(jī)順序 82附錄1 NaOH溶液溫度比重對照表 84附錄2 氫氧化鉀溶液比重表 85附錄3 KOH溶液比重——溫度——濃度關(guān)系表 86前 言自從1800年尼爾科森等人成功地將水電解成氫氣和氧氣以來，水電解制氫技術(shù)的發(fā)展已有近200年的歷史了。針對這些問題，世界各國除對現(xiàn)行技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)外，同時還在研究和探索新的水電解制氫工藝，尋找新型隔膜和材料，力圖降低能耗，提高水電解制氫效率。我所是全國唯一的一家從事水電解制氫技術(shù)研究的科研單位，至今已有四十多年的歷史。這些產(chǎn)品已廣泛地應(yīng)用于航天、電力、電子、冶金、化工、氣象和玻璃制造等工業(yè)部門，并有多臺已出口國外。在自動控制方面，可根據(jù)用戶的要求采用氣動控制、程序控制和最先進(jìn)的微機(jī)控制。由于時間緊迫，水平有限，錯誤缺點在所難免，請批評指正。由于氫氣燃燒后形成水，無污染，所以氫氣被譽(yù)為“清潔能源”而倍受人們青睞。特別是高溫固定聚合物水電解工藝的開發(fā)應(yīng)用，將可能使制氫的總效率達(dá)40～50％，水電解制氫的成本可降低到目前的1/3～1/4。3. 光催化作用制取氫氣在光的作用下，當(dāng)有光催化劑存在時，水可以分解成氫氣和氧氣，所選用的光催化劑應(yīng)在相當(dāng)寬的光譜區(qū)域內(nèi)有吸收光的能力和光合再生的性能。隨著國家西氣東輸工程的發(fā)展，我所已研制出經(jīng)濟(jì)實用的天然氣制氫設(shè)備。6. 甲醇分解制氫甲醇分解制氫裝置是采用甲醇和水在催化劑上分解、轉(zhuǎn)化制取氫氣的一種方法。 甲醇分解轉(zhuǎn)化來自原料液貯槽的脫鹽水與甲醇經(jīng)計量、混合后，用進(jìn)料泵加壓后送入換熱器，與分解氣換熱升溫后進(jìn)入汽化器，生成甲醇、水蒸氣過熱混合氣體后進(jìn)入反應(yīng)器，反應(yīng)溫度為240－280℃，在催化劑的作用下同時發(fā)生下列分解和變換反應(yīng)： CH3OH→CO＋2H2－Q1 （1） CO＋H2O→CO2＋H2＋Q2 （2）總反應(yīng)為：CH3OH＋H2O→CO2＋3H2－Q1 （3）總反應(yīng)是吸熱的，反應(yīng)器和汽化器所需的熱量由導(dǎo)熱油爐的循環(huán)熱油提供。各臺吸附器定時切換，交替吸附和再生，使原料氣不斷輸入，產(chǎn)品氫氣不斷輸出。它的粘度最小，導(dǎo)熱系數(shù)高，臨介溫度－℃，凝固點－℃。氫氣的著火性能隨著溫度和壓力的不同而變化。2. 氫氣的用途氫氣廣泛應(yīng)用于化學(xué)、冶金、電子、電力等工業(yè)部門。在有色金屬——鎢、鉬、鈦等的生產(chǎn)和加工中，使用高純度的氫氣作為還原氣。液態(tài)氫又是宇航和火箭的重要燃料；固態(tài)氫具有金屬性并有超導(dǎo)性能。水電解制氫是比較理想的。（1法拉第＝96500庫倫＝時）2. 水的電解水存在下面的電離平衡： H2O H＋＋OH－將一對電極插入水中，通以電流，氫離子逐漸向陰極移動，在陰極上取得電子被還原為H2。所以在水電解時必須加入其它的強(qiáng)電解質(zhì)，如NaOH或KOH，以增強(qiáng)導(dǎo)電能力。2. 主要技術(shù)參數(shù)（部分型號）（見表1）。2. 工藝流程簡介 氣體系統(tǒng)當(dāng)電解槽接通直流電源，電解電流上升到一定數(shù)值時，電解槽內(nèi)的水被電解成氫氣和氧氣。氧氣放空或進(jìn)入貯罐待用。一般槽內(nèi)電解液更換次數(shù)每小時2～4次。制氫系統(tǒng)開車后，氫氣純度達(dá)到要求后才能被送到貯罐（或凈化設(shè)備），在未達(dá)到要求純度以前的氫氣可通過調(diào)節(jié)閥后的氣體放空閥放空。水箱中的水通過加水泵分別打入氫、氧洗滌器，然后通過溢流管，注入分離器下部的液相部分和循環(huán)堿液一并進(jìn)入電解小室進(jìn)行連續(xù)電解，同時使電解液中堿的濃度保持在最佳濃度范圍。 冷卻水系統(tǒng)總管中的冷卻水共分為三路：一路進(jìn)入整流柜供可控硅元件冷卻，一路進(jìn)入氫（氧）洗滌器的蛇管（產(chǎn)氫量≥175m3/h的設(shè)備是進(jìn)入氣體冷卻器）冷卻氫（氧）氣體。 排污系統(tǒng)排污管道共分四處：第一處：為堿液過濾器底部，通過過濾器排污閥排出堿液和過濾器中過濾下來的石棉絨雜質(zhì)及污物。 補(bǔ)堿系統(tǒng)CNDQ－5～10裝置需補(bǔ)堿時，應(yīng)在停機(jī)泄壓狀態(tài)下進(jìn)行，按要求計算應(yīng)補(bǔ)充堿的數(shù)量，重新配制堿液，通過堿箱到電解槽的閥門系統(tǒng)將堿液打入電解槽中，對ZDQ系列的裝置需補(bǔ)充的堿液可直接送入分離器的連通管，直接進(jìn)入堿液循環(huán)中，在補(bǔ)堿管道上也裝有止回閥。2 隔膜1 陽極3 外殼4 陰極圖1 單極性電解槽示意圖在這種聯(lián)接中，每塊極板只有一個極性，即一塊板只擔(dān)負(fù)著陽極作用，或只擔(dān)負(fù)著陰極作用，因此稱為單極性電解槽。因此，對同一塊極板而言，在前一個電解小室中作陰極，在下一個電解小室中就作陽極，即每塊極板的正面是陰極，背面是陽極。電解槽的總電壓為各個小室電壓之和。 電解槽的操作溫度比常壓電解槽高，因此提高了電解液的電導(dǎo)率，電解效率高，小室電壓較低，降低了能耗和制氫成本； 槽體的密封性能好，允許間斷操作，使用壽命可達(dá)15～20年；產(chǎn)品氣體質(zhì)量高，氫氣純度超過行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（CB3521－93）； 電解槽的結(jié)構(gòu)及作用 電解槽外部結(jié)構(gòu)電解槽為并聯(lián)雙極性壓濾式結(jié)構(gòu)，由螺栓和二塊端壓板把極板夾在一起，呈園柱體結(jié)構(gòu)。－，承受的壓力很大，因此要有足夠的厚度，以免變形并保證槽體的密封性。正負(fù)端極板與端壓板間有良好的絕緣。在槽體上除中間極板、左端極板、右端極板外，按極板處的位置不同又分為左極板和右極板，它們的區(qū)別在于出氣孔的位置不同。電解液能夠在乳頭與隔膜布形成的空間里流動。（4）隔膜：現(xiàn)行工業(yè)水電解槽通常采用石棉布作為隔膜。（5）絕緣密封墊：絕緣密封墊即起絕緣作用，又起密封作用，它是采用特制的塑料模壓而成的，也可與石棉布模壓在一起，是比較理想的密封材料。水電解后，各陽極小室生成的氧氣和堿液一起通過出氣孔經(jīng)氣體環(huán)道一同流出氧氣出口管；各陰極室生成的氫氣和堿液一同流出氫氣出口管。所以在使用中必須注意下述各點：（1） 槽溫控制在90℃以下；（2） 槽壓控制在規(guī)定值范圍內(nèi)；（3） 電解液循環(huán)量控制在正常值；（4） 密切監(jiān)視氣體純度； （5）按時測量小室電壓，測電壓時注意電極方向，且不能讓電壓表某一極棒的觸頭同時接觸兩片極板造成短路； （6）電解槽上一定要清理干凈，不得有金屬物和堿液等導(dǎo)電介質(zhì)，周圍不能放置其它金屬物品，以防不慎落在槽體上造成小室短路；（7）定期清洗過濾器，清除濾網(wǎng)上的石棉絨毛和其它雜質(zhì)；（8）向槽體內(nèi)補(bǔ)充的原料水水質(zhì)一定要符合要求。 故障與維護(hù)（1），這說明此小室內(nèi)電解液流通不暢，這時需要停車，清洗過濾器，打開電解槽下面的排污閥，排除污物，再開車。4. 處理器（框架I） 處理器的作用處理器是一個包含許多化工過程的多功能綜合設(shè)備，它的作用如下：1. 把從電解槽來的氣液混合物在分離設(shè)備中進(jìn)行氣液分離。5. 通過堿液循環(huán)泵提升堿液的壓力，以維持堿液以適宜的流量在系統(tǒng)中流動，從電解槽中帶出電解產(chǎn)生的氣體和在電解過程中產(chǎn)生的熱量，促使電解液進(jìn)行攪拌，保證電解槽的正常電解過程。作用： 借助于重力使水電解產(chǎn)生的氫氣和氧氣與循環(huán)的堿液分離； 除掉氣體中的堿霧及液滴并降低氣體溫度； 維持水電解過程中所需的電解液容量，并觀察液位； 通過分離器內(nèi)設(shè)置的蛇管冷卻循環(huán)堿液，控制槽溫。 使用與維護(hù)（1）經(jīng)常觀察分離器上壓力顯示值和液位高度，看其工作壓力、液位、液位差是否處于正常狀態(tài)。注意：打開放空閥排空時，一定要慢慢開啟，且要保持液位差趨于平衡。（b）拆下進(jìn)液閥門的閥桿，用細(xì)鐵絲通入液孔，使孔內(nèi)雜質(zhì)流出直至堿液流出暢通為止。 結(jié)構(gòu)是臥式圓筒結(jié)構(gòu)，由筒體，左、右封頭焊接而成，在一端封頭上裝設(shè)液位計。 作用除掉氣體中的堿霧及液滴并降低氣體溫度。液位計也很少發(fā)生堵塞觀象，（2）款的（a）和（b）處理直至洗滌器中的水流出為止。 作用堿液冷卻器的作用是冷卻循環(huán)堿液控制電解槽的溫度，氫（氧）氣體冷卻器的作用是冷卻電解產(chǎn)生的氫氣和氧氣。但是所有的換熱設(shè)備和部件，包括堿液換熱器，氫（氧）氣體冷卻器，分離器和洗滌器內(nèi)的換熱蛇管，在制氫裝置經(jīng)過長期運行后有可能出現(xiàn)下述現(xiàn)象：換熱能力降低：表現(xiàn)為冷卻水流量足夠，冷卻水進(jìn)口溫度正常，但冷卻水進(jìn)出口溫度差逐漸變小，堿液和氫（氧）氣體的溫度達(dá)不到冷卻的要求。這時應(yīng)懷疑換熱器（或冷卻蛇形管）發(fā)生泄漏。 堿液過濾器的結(jié)構(gòu)過濾器由筒體、濾筒、濾網(wǎng)、法蘭等組成。過濾器的清洗在停車狀態(tài)下進(jìn)行，清洗方法是